MODELACION DE ENZIMAS EXTREMOFILAS

1. 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL “MODELACIÓN DE ENZIMAS EXTREMÓFILAS DE INTERÉS BIOTECNOLÓGICO USANDO EL PROGRAMA CN3D V.4.3.1" DOCENTE: Dr. SOTO GONZALES, HEBERT HERNAN PRESENTADO POR: CHUNGA CORMILLUNI, DAYANA YOSSELYN OBANDO OVIEDO, FLAVIA LISSETH CURSO: BIOTECNOLOGÍA CICLO: VII 2 de Diciembre del 2022

2. 2 ÍNDICE ÍNDICE 2 1. INTRODUCCIÓN 3 2. OBJETIVOS 3 3. MARCO TEÓRICO 3.1. MICROORGANISMOS EXTREMÓFILOS 3.2. ENZIMAS EXTREMÓFILAS 3 3 4 4. MATERIALES Y EQUIPOS 4.1. MATERIALES 4.2. EQUIPOS 6 6 6 5. PROCEDIMIENTO 7 6. RESULTADOS 12 7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 17 8. CONCLUSIONES 17 9. CUESTIONARIO 17 10. RECOMENDACIONES 21 11. BIBLIOGRAFÍA 22

3. 3 1. INTRODUCCIÓN Durante mucho tiempo se pensó que era imposible encontrar algún organismo que viviera en sitios con condiciones extremas, inhabitables para la gran mayoría de los organismos conocidos, como es el caso de temperaturas superiores a 80ºC, presiones aplastantes, oscuridad total, altas concentraciones de sales o minerales, ambientes muy ácidos, o sitios de temperaturas extremadamente bajas. Existen microorganismos extremófilos en todos los dominios de la vida, se tiene extremófilos que pertenecen al dominio Bacteria, como puede ser Psychromonas ingrahamii, muchos ejemplos del dominio Archaea, como Haloferax volcanii, pero incluso se tiene representantes del dominio Eukarya, como pueden ser algunas algas o los conocidos tardígrados. Sin embargo, la gran mayoría son microorganismos procariotas, bacterias y arqueas, son los grupos más abundantes. A pesar de que la mayoría aún permanecen desconocidos, los humanos se han beneficiado de estos organismos de muchas formas, utilizando principalmente sus enzimas en diferentes industrias. Los extremófilos tienen numerosas aplicaciones, pero también causan problemas, como contaminación, corrosión, entre otros. (Krasimirova, 2020) 2. OBJETIVOS ● Determinar la estructura molecular de las enzimas extremófilas ● Aplicación de enzimas extremófilas en Ingeniería Ambiental 3. MARCO TEÓRICO 3.1. MICROORGANISMOS EXTREMÓFILOS Es importante destacar que los extremófilos son “extremos” desde un punto de vista humano. Se han encontrado en ambientes inhabitables para los humanos, donde no

4. 4 solo habitan sino que crecen y prosperan en esas condiciones extremas, hasta el punto de ser sus nichos preferidos. Los extremófilos no solo pueden sobrevivir y tolerar estas condiciones extremas, también han sido capaces de desarrollar numerosas adaptaciones y evolucionar donde otros organismos no han sido capaces (Coker, 2019). Los extremófilos se desarrollan bajo condiciones que podrían matar a la mayoría de otras criaturas y muchos no pueden sobrevivir en los ambientes considerados globalmente normales. Los ambientes extremos incluyen aquellos con temperaturas muy elevadas (55-121°C) o bajas (-2-20°C), alta salinidad y alta alcalinidad (pH arriba de 8) o alta acidez (pH menor de 4). (Ramírez & Serrano, 2006) Figura 01: Ambientes extremos, Fuente: (Schaller, 2021) 3.2. ENZIMAS EXTREMÓFILAS La mayoría de las enzimas usadas hasta la fecha se originan de organismos mesófilos y, a pesar de sus muchas ventajas, el uso de estas enzimas está restringido debido a su estabilidad limitada en los extremos de la temperatura, del pH y de la fuerza iónica. Por otra parte, los extremófilos son una fuente potente de enzimas, que demuestran alta estabilidad bajo condiciones extremas. Los extremófilos han despertado el interés de varias industrias, debido a sus enzimas, catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas de la célula, como en el caso de las arqueas extremófilas les permiten colonizar los ambientes más inhóspitos.

5. 5 Las enzimas habituales tienen ciertas limitaciones, sin embargo las extremoenzimas, empiezan a operar justo en el punto donde las habituales dejan de funcionar. Existen numerosos procesos industriales que requieren el uso de estos aceleradores químicos, tal es el caso de las enzimas que participan en la producción de edulcorantes, papel, síntesis de detergentes, elaboración de alimentos como pan y vino, tratamiento de residuos, extracción de petróleo, obtención de biochips para la identificación de personas y el diagnóstico de enfermedades. (Ramírez & Serrano, 2006) Tabla 01: Clasificación de microorganismos extremófilos y algunas aplicaciones de sus enzimas (Oliart & Manresa, 2016)

6. 6 4. MATERIALES Y EQUIPOS 4.1. MATERIALES Artículo científico 4.2. EQUIPOS Laptop CN3D V.4.3.1

7. 7 EMBOSS Backtranseq Sitio web del NCBI 5. PROCEDIMIENTO Para la realización del modelamiento de enzima por medio del Software CND 4.3.1. se tuvieron que seguir indicaciones del paso a paso para que esta práctica se pueda concluir satisfactoriamente, siguiente la siguiente metodología: 1. Se procede a ingresar a la página web NCBI para la búsqueda de la enzima de interés. Figura 01. Sitio Web NCBI

8. 8 2. Una vez elegido el nombre de la enzima, se selecciona en estructura y posteriormente se da click en buscar. Figura 02. Busque de la enzima de interés 3. Una vez cargada la página seleccionamos Estructura. Figura 03. Elección de la opción estructura 4. Ya cargados los nuevos resultados, se procede a la elección de la estructura dependiendo de las características de adaptación específicas establecidas previamente. Figura 04. Elección de estructura de la enzima de interés.

9. 9 5. Se continúa con la descarga del archivo en tipo cn.3. Figura 05. Descarga de estructura de la enzima. 6. A continuación se apertura por medio del programa Cn3D 4.3. Figura 06. Apertura de la estructura de la enzima. 7. Luego, se selecciona la primera fila de la secuencia en donde se abrirá una nueva ventana la cual mostrará la cadena completa de la enzima de interés. Figura 07. Resultados de acuerdo a la selección en la primera fila de la secuencia.

10. 10 8. Luego, se procede a seleccionar en FASTA para conseguir la secuencia de la enzima y esta sea copiada. Figura 08. Copiando secuencia completa del programa NCBI 9. Posteriormente, se inicia una nueva ventana con el programa de EMBOSS Backtranseq para traducir la secuencia anteriormente copiada. Figura 09. Apertura deL PROGRAMA EMBOSS Backtranseq 10. Una vez abierto el programa de EMBOSS Backtranseq se pega la secuencia para obtener la nueva transformación de la secuencia. Figura 10. Pegado de la secuencia anteriormente copiada.

11. 11 11. Una vez cargada la pagina web, el resultado es copiado. Figura 11. Pàgina web BLAST 12. Se apertura el programa BLAST Figura 12. Pàgina web BLAST 13. A continuación se procede a la apertura de una nueva ventana con el programa BLAST pega la secuencia antes copiada y seleccionando blast para obtener el resultado. Figura 13. Pàgina web BLAST con la secuencia pegada para EXPLOSION

12. 12 14. Ya cargada la página se obtienen los resultados con el porcentaje de parecido con cada especie, en donde por mayor compatibilidad se elegirá la primera opción. Figura 14. Relación de resultados de acuerdo al orden de similitud con cada especie. 15. Finalmente se dirigirá a una ventana en la que se mostrará la secuencia por parejas, el cual es el resultado final de la enzima de interés. 6. RESULTADOS ➔ ESTERASE HOT 5GMA: estructura cristalina de la variante P228a de la acetil esterasa de Thermotoga Medio Ambiente: Marino Especie: Thermotoga Maritima Adaptación: Las enzimas de Thermotoga se sabe que son activas a temperaturas muy altas, lo que le confiere estabilidad a esas temperaturas.

13. 13 Estructura de la enzima Esterasa Hot Secuencia de la enzima Esterasa Hot en A,G,Cy T ➔ ESTERASE COLD 91 3I6Y: Estructura de una esterasa de la bacteria Oleispira Antarctica que degrada el aceite la bacteria Oleispira antartica RB‐8, originalmente aislada en el océano Medio Ambiente: Antártico Especie: Oleispira Antarctica

14. 14 Adaptación: Esta bacteria, que se encuentra de forma natural en los océanos y mares, es capaz de degradar hidrocarburos a muy baja temperatura (entre 4 y 6 grados centígrados) Estructura de la enzima Oleispira Antarctica Secuencia de la enzima Oleispira Antarctica en A,G,Cy T

15. 15 ➔ BETA GLUCOSIDASE COLD 5DT7: Estructura cristalina de la beta-glucosidasa GH1 de Exiguobacterium antarcticum B7 en el grupo espacial C2221 Medio Ambiente: Bacteria psicotrópica aislada por primera vez de tapetes microbianos del lago Fryxell en la Antártida son extremófilos y tienen propiedades de interés Especie: Exiguobacterium antarcticum Adaptación: Capacidad de adaptación al frío, además de mejorar la comprensión de los mecanismos de adaptación y supervivencia a bajas temperaturas. Estructura de la enzima Exiguobacterium antarcticum Secuencia de la enzima Exiguobacterium antarcticum en A,G,Cy T

16. 16 ➔ CELLULASE HOT 3B7M: Estructura cristalina de una celulasa termoestable mesoactiva (mt Cel12a) derivada de mutaciones no contiguas en la superficie activa de la celulasa Cel12a de Rhodothermus Medio Ambiente: Marino Especie: Rhodothermus marinus Adaptación: Es aeróbico obligado , moderadamente halófila , termófila , Gram-negativa y en forma de bastoncillo, alrededor de 0,5 μm de diámetro y 2-2,5 μm de largo. Estructura de la enzima Rhodothermus marinus Secuencia de la enzima Rhodothermus marinus en A,G,Cy T

17. 17 7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS De acuerdo a lo presentado en los resultados se pueden apreciar una variabilidad de enzimas extremófilas siendo algunas más complejas que otras por los componentes que lleva cada una en su estructura. Por otro lado, segùn los resultados se puede decir que la mayoría de enzimas buscadas en el NCBI corroboradas de acuerdo al porcentaje de similitud entre otra, se puede ver que no existe mucha compatibilidad, es decir que generalmente con las enzimas asignadas no se parecen en mucho a otra enzimas, sino por el contrario los porcentajes de similitud bordean los 60% -75% 8. CONCLUSIONES ● Se puede decir que se pudo realizar exitosamente la práctica de determinación de la estructura molecular de algunas enzimas extremófilas con la ayuda de diferentes sitios web y softwares los cuales intervinieron para que se pueda llevar a cabo. De acuerdo a la teoría aplicada para la elaboraciòn de la pràctica conocer los ● diferentes organismo extremófilos se puede concluir diciendo que son de gran ayuda en el campo de ingeniería ambiental ya que pueden ser usados para diferentes metodologias de biorremedicaciòn de contaminantes tóxicos en suelos y diferentes cuerpos de agua sin importar las condiciones extremas del lugar. 9. CUESTIONARIO ● ¿Qué es una proteína? Las proteínas son moléculas grandes y complejas que cumplen muchas funciones importantes en el cuerpo. Son vitales para la mayoría de los trabajos que realizan las células y son necesarias para mantener la estructura, función y regulación de los tejidos y órganos del cuerpo. Una proteína está formada por una o más cadenas largas, plegadas de

18. 18 aminoácidos (cada una llamada polipéptido), cuyas secuencias están determinadas por la secuencia de ADN del gen que codifica la proteína. Muchos genes en el genoma codifican proteínas. Se trata de moléculas de aminoácidos unidos en una secuencia muy específica que produce una molécula funcional que puede plegarse y ser una enzima, o ser parte de la estructura de la célula, o ser secretada y actuar como molécula señalizadora. En total, hay miles y miles de proteínas que se producen cada día en sus células y en su cuerpo. En el genoma humano, hay aproximadamente 20.000 genes que codifican para la producción de proteínas. (National Human Genome Research Institute (NHGRI), 2022) ● ¿Qué son las proteínas (enzimas) extremófilas y qué aplicaciones tiene en la biotecnología? La enzimas extremófilas le permiten a estos microorganismos que pueden prosperar a altas temperaturas gracias a sus enzimas y proteínas celulares estables al calor, que difieren en pocos aminoácidos con respecto a las enzimas mesófilas (de los organismos que viven a temperaturas usuales entre 20 y 40 grados centígrados). Estos pequeños cambios de aminoácidos en puntos clave permiten que la proteína se pliegue en forma diferente, proporcionándole estabilidad o resistencia al calor. Las aplicaciones de estos microorganismos en nuevos procesos biotecnológicos han despertado el interés en su estudio. Debido a que muchos procesos industriales se llevan a

19. 19 cabo a temperaturas elevadas, las enzimas termoestables están adquiriendo mayor importancia como biocatalizadores; muchas de las enzimas hipertermófilas son activas a temperaturas tan altas como 110 grados centígrados; las enzimas termófilas son usualmente activas entre 60 y 80 grados centígrados. Las enzimas termófilas e hipertermófilas activas a altas temperaturas no tienen actividad a temperaturas menores a 40 grados centígrados. (Suárez, 2004) Tabla 02: Enzimas extremófilas y su aplicación, (Suárez, 2004)

20. 20 ● ¿Historia de las enzimas extremófilas? La palabra extremofilo es un neologismo que fue acuñada en 1974 por el investigador MacElroy (MacElroy, 1974). Es un término híbrido en el que se unen la palabra del Latín Extremus (más externo, distante o alejado) y la palabra Griega filia (atracción, afecto por) resultando su significado en “amigo de condiciones extremas” El término “extremófilo” se utiliza por primera vez en 1974, en un trabajo del investigador R.D. MacElroy. Posteriormente, a medida que se han ido descubriendo nuevos microorganismos extremos, la variedad ha ido creciendo. Así, además de los mencionados anteriormente, los expertos hablan de anhidrobiosis para referirse a seres que viven en ausencia de agua; barófilos, seres que viven en ambientes con presión muy alta;

21. 21 hipertermófilos, con temperaturas óptimas de crecimiento por encima de los 80º C; o xerófilos, capaces de desarrollarse en zonas con muy baja humedad. 10. RECOMENDACIONES ● Es importante tener conocimientos previos sobre el uso y manejo de los programas, de esta manera se podrá obtener los datos e información que se requiere para el desarrollo de la práctica. ● Tener cuidado al momento de seleccionar los microorganismos para el modelamiento de las enzimas, considerando que estos deben ser extremófilos, es decir que deben habitar en ambientes extremos.

22. 22 11. BIBLIOGRAFÍA Krasimirova, L. (2020). Los microorganismos extremófilos y sus aplicaciones biotecnológicas. Retrieved November 29, 2022, from https://digital.csic.es/bitstream/10261/230752/1/DIRECCION_DE_TRABAJOS8 25422.pdf National Human Genome Research Institute (NHGRI). (2022, July 6). Proteína. National Human Genome Research Institute. Retrieved November 29, 2022, from https://www.genome.gov/es/genetics-glossary/Proteina Oliart, R., & Manresa, Á. (2016). Utilización de microorganismos de ambientes extremos y sus productos en el desarrollo biotecnológico. SciELO México. Retrieved November 29, 2022, from https://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2007-7858201600 0200079 Ramírez, N., & Serrano, J. A. (2006, septiembre). Microorganismos extremófilos. Actinomicetos halófilos en México. Redalyc. Retrieved November 29, 2022, from https://www.redalyc.org/pdf/579/57937307.pdf Schaller, B. W. (2021, September 27). Extremófilos y extremotolerantes: viviendo en los extremos. Ko-fi. Retrieved November 29, 2022, from https://ko-fi.com/post/Extremofilos-y-extremotolerantes-creciendo-y-medr-Z8Z2 6D5HU Suárez, C. (2004). La vida a altas temperaturas: adaptación de los microorganismos y aplicación industrial de sus enzimas. Revista Ciencia. Retrieved November 29, 2022, from https://www.revistaciencia.amc.edu.mx/images/revista/55_1/lavida_altas_temper aturas.pdf